Six capacités, dont trois qu'on saute
L'entrée « Les solutions aqueuses » du programme de seconde compte six capacités exigibles. Les trois premières sont partout : identifier le soluté et le solvant, calculer une concentration en masse, préparer une solution par dissolution ou par dilution.
Les trois autres le sont beaucoup moins. « Distinguer la masse volumique d'un échantillon et la concentration en masse d'un soluté » — deux quotients, la même unité, deux sens, et la confusion la plus fréquente du chapitre. « Mesurer des volumes et des masses pour estimer l'incertitude » — pourquoi la fiole jaugée vaut mieux que le bécher, et de combien. Et le « dosage par étalonnage », qui a pourtant sa propre ligne dans le tableau du programme.
Ces cinq fiches couvrent les six. Elles gardent ce que la page d'origine faisait bien — elle le faisait bien — et lui ajoutent ce qui lui manquait.
Avec un parti pris : rien n'est affirmé qui puisse être calculé. Le classement de la verrerie se déduit des tolérances gravées dessus ; la gamme d'étalonnage n'est lue qu'après avoir été vérifiée proportionnelle ; et l'extrapolation est refusée.
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Soluté, solvant, et concentration en masse
Lire un mode opératoire, et en tirer une concentration.
Le programme demande d'identifier le soluté et le solvant « à partir de la composition ou du mode opératoire ». Trois préparations sont données : de l'eau salée, du sirop dilué, de l'eau sucrée.
Le solvant est celui qui dissout, et il est en plus grande quantité ; le soluté est ce qui disparait dedans. Le mot « aqueuse » ne qualifie d'ailleurs pas le soluté mais le solvant : une solution dont le solvant serait l'alcool ne serait pas aqueuse.
L'une des trois préparations ne pèse rien — on verse du sirop, on complète à 200 mL. On ne peut donc pas en calculer la concentration en masse, et c'est une réponse complète à condition de le justifier.
Le dernier exercice retourne le quotient dans les deux sens : quelle masse peser pour un volume et une concentration donnés, quel volume préparer pour une masse et une concentration données. C'est exactement la capacité mathématique que le programme associe à cette entrée.
Comparer des concentrations, c'est comparer des quotients — jamais des masses seules.
- Soluté
- Solvant
- g/L
- Le quotient
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Masse volumique ou concentration en masse ?
Deux quotients, la même unité, deux sens.
Le programme demande expressément de distinguer ces deux grandeurs, et la page que ces fiches remplacent n'employait pas même le mot « masse volumique ».
Les deux s'expriment en grammes par litre et se calculent en divisant une masse par un volume. Ce qui change, c'est CE QU'ON PÈSE : le seul soluté d'un côté, toute la solution de l'autre.
Sur une eau salée courante, l'écart se voit : 20 g/L pour la concentration, 1 014 g/L pour la masse volumique — cinquante et une fois plus. Parce que la masse de la solution est presque entièrement celle de l'eau.
La meilleure façon de s'en convaincre tient en une question : que vaut la concentration en masse du soluté dans de l'eau pure ? Zéro — il n'y a pas de soluté. L'eau pure a pourtant bien une masse volumique. Une grandeur qui existe quand l'autre est nulle ne peut pas lui être identique.
Une même unité ne fait pas une même grandeur : elle dit seulement qu'on a divisé une masse par un volume.
- Ce qu'on pèse
- 20 g/L
- 1 014 g/L
- 51 fois
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Préparer une solution, et choisir sa verrerie
Le classement de la verrerie est calculé, pas décrété.
Cinq étapes pour une dissolution, et un piège à chacune. Le plus courant : compléter à la jauge, et non ajouter le volume annoncé de solvant — car le soluté occupe lui aussi du volume.
Le volume qui figure au dénominateur est celui de la solution FINALE. Ajouter 100 mL d'eau à la poudre donnerait un peu plus de 100 mL de solution, et une concentration plus faible que prévu.
Vient ensuite le choix de la verrerie. Chaque pièce porte sa tolérance : ± 0,10 mL pour une fiole jaugée de 100 mL, ± 5,0 mL pour un bécher. L'incertitude RELATIVE se calcule, et c'est elle qui décide — 0,10 % contre 5,00 %, soit cinquante fois plus d'incertitude.
Le dernier exercice traite la dilution sans formule à retenir : on suit le soluté, dont la masse ne change pas. Le facteur de dilution se retrouve alors de deux façons — par les concentrations et par les volumes — et les deux doivent donner le même nombre.
Un bécher sert à contenir et à transvaser, jamais à mesurer.
- Le protocole
- La jauge
- 0,10 %
- Diluer
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La concentration maximale d'un soluté
Une expérience ne donne pas une valeur : elle l'encadre.
Le programme demande de déterminer une concentration maximale « à partir de résultats expérimentaux ». On introduit donc des masses croissantes de sel dans 100 mL d'eau, et l'on regarde si tout se dissout.
Tant que tout se dissout, la concentration se calcule. Dès qu'un dépôt subsiste, elle ne se calcule plus : on ne sait pas quelle masse a réellement été dissoute.
Le résultat n'est donc pas une valeur mais un encadrement : entre 350 et 400 g/L. La plus grande masse entièrement dissoute donne la borne basse, la première masse qui dépose donne la borne haute. Resserrer l'encadrement demande des essais intermédiaires.
Le mot du programme est « concentration maximale d'un soluté ». « Solution saturée » désigne la même chose, mais c'est le terme du programme qu'un correcteur attend — et ce maximum dépend du couple soluté-solvant ET de la température.
Une expérience ne donne pas une valeur : elle l'encadre, puis on resserre.
- Cinq essais
- Le dépôt
- 350–400 g/L
- La température
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Le dosage par étalonnage
Mesurer une concentration sans jamais toucher au soluté.
Le soluté est dissous : on ne peut plus le peser. Peser la solution donnerait sa masse volumique, pas la concentration de son soluté — c'est exactement la distinction de la deuxième fiche, et c'est le problème que le dosage résout.
On prépare donc des solutions de concentrations connues et l'on mesure sur chacune la même grandeur. Le programme en nomme trois : l'échelle de teinte, la mesure de conductance, la mesure de masse volumique. Les trois mesurent une grandeur qui augmente avec la concentration — c'est la seule condition.
Si les points de la gamme sont proportionnels, une seule division suffit pour lire la concentration inconnue. S'ils ne l'étaient pas, diviser n'aurait aucun sens et il faudrait tracer la courbe : le générateur de ces fiches refuse de produire une gamme dont les quotients ne seraient pas tous égaux.
Reste la limite, qui fait l'objet du dernier exercice : une mesure qui sort de la gamme ne se lit pas. Lire au-delà serait extrapoler, c'est-à-dire supposer que la proportionnalité continue sans l'avoir vérifiée. Il faut diluer d'un facteur connu, mesurer de nouveau, puis remonter.
On vérifie toujours que la mesure tombe DANS la gamme avant de diviser.
- La gamme
- Échelle de teinte
- Conductance
- Extrapoler
Compétences travaillées
-
Identifier
Le soluté et le solvant, dans un mode opératoire.
-
Distinguer
Masse volumique et concentration en masse.
-
Préparer
Par dissolution ou dilution, avec la bonne verrerie.
-
Doser
Une concentration inconnue, par étalonnage.
Deux grandeurs en g/L qui ne sont pas la même
C'est la confusion la plus tenace du chapitre, et elle est parfaitement compréhensible : la masse volumique et la concentration en masse s'expriment dans la même unité et se calculent de la même façon — une masse divisée par un volume.
Ce qui change est ce qu'on met au numérateur. Pour la masse volumique, on pèse TOUTE la solution : le soluté et le solvant ensemble. Pour la concentration en masse, on ne compte que le soluté — celui qu'on a pesé sur la balance avant de le dissoudre.
L'écart est spectaculaire dès qu'on le calcule. Vingt grammes de sel dans un litre de solution : la concentration vaut 20 g/L, la masse volumique 1 014 g/L. Cinquante et une fois plus, parce que la masse de la solution est presque entièrement celle de l'eau.
Le test le plus simple reste celui de l'eau pure. Elle a une masse volumique — environ 1 000 g/L — et aucune concentration en masse, puisqu'il n'y a pas de soluté. Une grandeur qui existe quand l'autre est nulle ne peut pas lui être identique.
Pourquoi la fiole jaugée, et pas le bécher
Le programme demande de « choisir et utiliser la verrerie adaptée ». La plupart des fiches se contentent de l'énoncer : la fiole jaugée pour préparer, la pipette jaugée pour prélever, le bécher jamais. C'est juste, et cela ne s'explique pas.
L'explication tient dans un nombre gravé sur chaque pièce : sa tolérance. Une fiole jaugée de 100 mL porte ± 0,10 mL ; une éprouvette graduée de même volume, ± 1,0 mL ; un bécher, ± 5,0 mL. Une pipette jaugée de 10 mL porte ± 0,02 mL.
Ces millilitres ne se comparent pas directement, puisque les pièces n'ont pas le même volume. Ce qui se compare est l'incertitude RELATIVE — la tolérance divisée par le volume, en pourcentage : 0,10 % pour la fiole, 0,20 % pour la pipette, 1,00 % pour l'éprouvette, 5,00 % pour le bécher.
Le classement devient alors une conséquence, et non une consigne à retenir. Préparer 100 mL de solution dans un bécher, c'est accepter une erreur de 5 % sur le volume — donc 5 % sur la concentration obtenue, avant même d'avoir commencé à peser.
Méthode et vérification
Contenu produit à partir du programme de physique-chimie de seconde générale et technologique : arrêté du 17 janvier 2019, BO spécial n° 1 du 22 janvier 2019, partie 1, entrée « Les solutions aqueuses, un exemple de mélange ». Le moteur `solutions_seconde` calcule la masse volumique et la concentration en masse séparément et refuse qu'elles se confondent, déduit le classement de la verrerie des tolérances gravées, vérifie qu'une gamme d'étalonnage est proportionnelle avant de la lire et refuse toute extrapolation, et encadre la concentration maximale par les résultats expérimentaux au lieu de l'affirmer.
- Programme de physique-chimie de la classe de seconde générale et technologique, arrêté du 17 janvier 2019 — BO spécial n° 1 du 22 janvier 2019, partie 1. Notions et contenus : « Les solutions aqueuses, un exemple de mélange. Solvant, soluté. Concentration en masse (en g·L−1), concentration maximale d'un soluté. Dosage par étalonnage. »
- Même entrée, capacités exigibles : « Identifier le soluté et le solvant à partir de la composition ou du mode opératoire de préparation d'une solution. Distinguer la masse volumique d'un échantillon et la concentration en masse d'un soluté au sein d'une solution. Déterminer la valeur de la concentration en masse d'un soluté (en g·L−1) à partir du mode opératoire de préparation d'une solution par dissolution ou par dilution. »
- Même entrée : « Déterminer la valeur d'une concentration en masse et d'une concentration maximale à partir de résultats expérimentaux. Déterminer la valeur d'une concentration en masse à l'aide d'une gamme d'étalonnage (échelle de teinte ou mesure de conductance ou mesure de masse volumique). » Et la capacité mathématique associée : « utiliser une grandeur quotient pour déterminer le numérateur ou le dénominateur ».
